Teknikens framtid beror på i stor utsträckning, på nya material, men arbetet med att utveckla dessa material börjar flera år innan någon specifik tillämpning för dem är känd. Stephen Wilson, en professor i material vid UC Santa Barbara's College of Engineering, fungerar i det "långt innan" riket, försöker skapa nya material som uppvisar önskvärda nya tillstånd.

I uppsatsen "Fältavstämbar kvantoordnad grundtillstånd i antiferromagneten NaYbO med triangulärt gitter ₂ , " publicerad i tidskriften Naturfysik , Wilson och kollegor Leon Balents, vid campus Kavli-institutet för teoretisk fysik, och Mark Sherwin, professor vid institutionen för fysik, beskriva deras upptäckt av ett länge eftersökt "kvantspinnvätsketillstånd" i materialet NaYbO ₂ (natriumytterbiumoxid). Studien leddes av materialstudenten Mitchell Bordelon och involverade även fysikstudenterna Chunxiao Liu, Marzieh Kavand och Yuanqi Lyu, och kemistudenten Lorenzo Posthuma, samt medarbetare vid Boston College och vid U.S. National Institute of Standards and Technology.

På atomnivå, elektroner i ett materials gitterstruktur beter sig annorlunda, både individuellt och kollektivt, från de i ett annat material. Specifikt, "snurran, " eller elektronens inneboende magnetiska moment (liknar en medfödd stångmagnet) och dess tendens att kommunicera och koordinera med de magnetiska momenten hos närliggande elektroner skiljer sig åt beroende på material. Olika typer av spinnsystem och kollektiva mönster för ordning av dessa moment är kända för att förekomma. , och materialvetare söker ständigt nya, inklusive de som har antagits men som ännu inte har visat sig existera.

"Det finns vissa, mer klassiska ögonblick som låter dig veta med en mycket hög grad av säkerhet att snurret pekar i en viss riktning, ", förklarade Wilson. "I dessa, kvanteffekterna är små. Men det finns vissa ögonblick då kvanteffekterna är stora, och du kan inte orientera snurran exakt, så det råder osäkerhet, som vi kallar "kvantfluktuationer."

Kvantmagnetiska tillstånd är de där magnetismen hos ett material primärt drivs av sådana kvantfluktuationer, generellt härledd från osäkerhetsprincipen, inneboende magnetiska moment. "Så, du föreställer dig ett magnetiskt ögonblick, men osäkerhetsprincipen säger att jag inte kan orientera det perfekt i någon riktning, ", noterade Wilson.

Förklara kvantspinnvätsketillståndet, som föreslogs för länge sedan och är föremål för denna artikel, Wilson sa, "I konventionella material, de magnetiska ögonblicken talar med varandra och vill orientera sig i förhållande till varandra för att bilda något ordningsmönster." I klassiska material, denna ordning störs av termiska fluktuationer, vad Wilson beskriver som "bara värme från miljön."

"Om materialet är tillräckligt varmt, den är omagnetisk, vilket betyder att ögonblicken är alla slags röriga i förhållande till varandra, " förklarade han. "När materialet väl har kylts, stunderna börjar kommunicera, så att deras koppling till varandra utkonkurrerar de termiska fluktuationerna och de bildar ett ordnat tillstånd. Det är klassisk magnetism."

Men saker och ting är annorlunda i kvantvärlden, och magnetiska moment som fluktuerar kan faktiskt vara ett materials inneboende "grundtillstånd".

"Så, du kan fråga om det finns ett magnetiskt tillstånd där ögonblicken hindras från att frysa eller bilda något mönster av långväga ordning i förhållande till varandra, inte av termiska fluktuationer, men istället, genom kvantfluktuationer, " sa Wilson. "Kvantfluktuationer blir mer relevanta när ett material svalnar, medan termiska fluktuationer ökar när den värms upp, så du vill hitta en magnet som inte ordnar förrän du kan få den tillräckligt kall så att kvantfluktuationerna hindrar den från att någonsin beställa."

Den kvantstörningen är önskvärd eftersom den är förknippad med intrassling, den kvantmekaniska kvaliteten som gör det möjligt att koda kvantinformation. För att avgöra om NaYbO2 kan uppvisa den egenskapen, forskarna var tvungna att fastställa den inneboende, eller grundtillstånd för materialets magnetiska moment när alla termiska fluktuationer avlägsnas. I detta speciella system, Wilson kunde experimentellt bestämma att de magnetiska momenten i sig är fluktuerande, stört tillstånd, vilket bekräftar att det finns ett kvantorubbat tillstånd.

För att hitta det hypotetiska tillståndet, sa Wilson, "Först måste du lägga mycket kvantmagnetiska moment i ett material, men ditt material måste vara konstruerat så att ögonblicken inte vill beställa. Du gör det genom att använda principen om "magnetisk frustration."

Ett enkelt sätt att tänka på det, enligt Wilson, är att föreställa sig en enda triangel i materialets gitterstruktur. "Låt oss säga att jag bygger mitt material så att de magnetiska momenten alla är placerade på ett triangulärt gitter, " han sa, "och de pratar alla med varandra på ett sätt som får dem att vilja orientera sig antiferromagnetiskt, eller antiparallell, till varandra."

I det arrangemanget, vilket som helst närliggande moment på triangeln vill orientera sig antiparallellt mot sin granne. Men eftersom det finns ett udda antal poäng, du har en upp vid en punkt och en ner (antiparallell med den första) vid den andra punkten, vilket betyder att det tredje ögonblicket har ett olika orienterat ögonblick på varje sida, så den vet inte vad den ska göra. Alla ögonblick konkurrerar med varandra.

"Det är magnetisk frustration, och, som det visar sig, det minskar temperaturen vid vilken ögonblicken äntligen kan hitta något arrangemang som de alla är överens om, " sa Wilson. "Så, till exempel, klassiskt, naturen bestämmer att vid en viss temperatur är de oöverensstämmande ögonblicken överens om att de alla kommer att peka på 120 grader i förhållande till varandra. Så de är inte alla 100 procent nöjda men det är en kompromiss som etablerar en ordnad stat."

Därifrån, han lade till, "Tanken är att ta ett frustrerat galler där du redan har undertryckt det ordnade tillståndet, och lägg till kvantfluktuationer till det, som tar över när du kyler materialet. Magnetisk frustration sänker beställningstemperaturen tillräckligt så att kvantfluktuationer så småningom tar över och systemet kan stabiliseras till ett fundamentalt oordnat kvantspinntillstånd."

Wilson fortsatte:"Det är paradigmet för vad folk letar efter, men vissa material kan tyckas visa detta tillstånd när det faktiskt, det gör de inte. Till exempel, alla verkliga material har oordning, såsom kemisk eller strukturell störning, och detta kan också förhindra att de magnetiska momenten pratar med varandra effektivt och blir ordningsamma. I så fall, Wilson säger, "De kan bilda ett oordnat tillstånd, men det är mer en frusen, eller statisk, oordnat tillstånd än att det är ett dynamiskt kvanttillstånd.

"Så, om jag har ett magnetiskt system som inte ordnar vid de lägsta temperaturerna jag kan mäta, det kan vara knepigt att försöka förstå om det jag mäter är en inneboende kvantspinnvätska fluktuerande typ av tillstånd eller en frusen, yttre, kemiskt drivet oordnat tillstånd. Det diskuteras alltid."

Bland de mest intressanta fynden om detta nya material, Wilson sa, är att även vid den lägsta mätbara temperaturen – 0,005 grader Celsius över absoluta nollpunkten – beställer den fortfarande inte.

"Dock, i detta material kan vi också applicera ett magnetfält, som bryter denna konkurrens framkallad av magnetisk frustration, och sedan kan vi köra den på beställning, inducerar en speciell typ av antiferromagnetiskt tillstånd, ", tillade han. "Anledningen till att det är viktigt är att detta speciella tillstånd är mycket känsligt och ett mycket bra fingeravtryck för hur mycket kemisk störning det finns i systemet och dess inverkan på det magnetiska grundtillståndet. Det faktum att vi kan driva detta fältdrivna tillstånd säger oss att det oordnade tillståndet vi ser vid låg temperatur med noll magnetfält verkligen är ett inneboende kvantoordnat tillstånd, överensstämmer med att vara ett kvantspinnflytande tillstånd."